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操作系统学习（十一）——磁盘

news 2025/8/17 14:45:38

一、磁盘

在操作系统中，磁盘（Disk） 是最主要的辅助存储设备，主要用于持久化存储文件和数据。
磁盘的管理对文件系统的效率、系统性能与数据安全有直接影响。

磁盘访问速度通常由以下三部分组成：

时间类型	说明
寻道时间（Seek Time）	移动磁头到目标柱面所需的时间，是最耗时的一项
旋转延迟（Rotational Latency）	等待目标扇区转到磁头下方的时间（平均为半圈）
传输时间（Transfer Time）	将数据从磁盘传输到内存所需的时间

示例：假设磁盘每分钟转7200圈，1圈=8.3ms，平均旋转延迟≈4.15ms

二、磁盘的结构

1. 物理结构

磁盘通常指的是硬盘（HDD），它由多个刚性盘片（Platter）组成，每个盘片都涂有磁性材料，两面都可以用于存储数据。

盘面（Surface）：盘片的每一面。
磁道（Track）：每个盘面上按同心圆划分出的圆环。
柱面（Cylinder）：所有盘面在相同位置的磁道集合。
扇区（Sector）：每条磁道被划分为若干扇区，是最小读写单位（如512B、4KB）。
磁头（Head）：每个盘面配有磁头，用于读写数据。
磁臂（Arm）：用于移动磁头到不同的柱面。

2. 磁盘的逻辑结构

操作系统不直接使用物理结构，而是将磁盘划分为逻辑块进行管理：

块（Block）：文件系统中的基本读写单位（通常为4KB）。
操作系统通过逻辑块地址（LBA）访问磁盘，隐藏了磁道/扇区的具体细节。

三、磁盘调度算法

磁盘调度算法是操作系统中负责优化磁盘I/O访问顺序的策略，其目标是减少磁头移动距离、提高系统吞吐量，以及改善响应时间。
由于磁盘访问中，寻道时间（磁头移动）最耗时，因此调度算法通常围绕如何优化磁头移动顺序设计。

调度算法：

算法名称	全称	主要思想
`FCFS`	First Come First Serve	按请求到达顺序处理
`SSTF`	Shortest Seek Time First	优先处理离当前磁头最近的请求
`SCAN`	电梯算法	磁头向一个方向移动，直到末端再反向
`C-SCAN`	Circular SCAN	只向一个方向扫描，回到起点后重扫
`LOOK`	改进的 SCAN	只扫描到最远请求处，再折返
`C-LOOK`	改进的 C-SCAN	只扫描到最远请求处，循环到最小请求

1. `FCFS`（先来先服务）

原理：按照请求到达的先后顺序访问磁道，不考虑当前位置和最优路径。

简单，公平；
但可能导致大量磁头移动，效率低。

示例：磁头当前位置在 50，队列为：95, 180, 34, 119, 11, 123, 62, 64；
磁道移动距离：50→95→180→34→119→11→123→62→64（移动总距离较大）

2. `SSTF`（最短寻道优先）

原理：每次选择距离当前磁头位置最近的请求。

寻道时间最短，效率高；
可能造成饥饿（远处请求长时间等待）。

当前磁头在 50，最近的是 62 → 64 → 34…

3. `SCAN`（电梯算法）

原理：磁头朝一个方向移动，处理沿途请求，遇到磁道边界后反向继续。

类似电梯上下运行，公平性更好；
减少饥饿，适合高负载场景。

磁头从50向右移动，顺序访问大于50的请求，之后向左折返处理剩余请求。

4. `C-SCAN`（循环 `SCAN`）

原理：磁头只向一个方向移动，处理完最右侧请求后直接回到最左侧重新开始。

响应时间更均匀，避免边缘请求等待太久；
不处理反向请求，回程是空移动。

5. `LOOK`

原理：与 SCAN 类似，但只扫描实际存在的请求区间，不盲目到磁道边界。

更高效率；
磁头“看到”最远请求就回头。

6. `C-LOOK`

原理：只向一个方向移动，处理到最远请求后立即跳转回起点。

避免空磁道扫描；
提升系统响应一致性。

磁盘调度算法对比：

例：磁头当前在 50，请求队列：[95, 180, 34, 119, 11, 123, 62, 64]FCFS   ：50→95→180→34→119→11→123→62→64
SSTF   ：50→62→64→34→11→95→119→123→180
SCAN   ：50→62→64→95→119→123→180→回头→34→11
C-SCAN ：50→62→64→95→119→123→180→跳转→11→34
LOOK   ：50→62→64→95→119→123→180→回头→34→11（不达磁道尽头）
C-LOOK ：50→62→64→95→119→123→180→跳转→11→34（不达磁道尽头）

五、磁盘的分区与格式化

1. 分区（Partitioning）

磁盘可以被划分为多个逻辑分区（C盘、D盘等），每个分区可以使用不同的文件系统。
分区信息存储在 主引导记录（MBR） 或 GUID 分区表（GPT）。

2. 格式化（Formatting）

格式化是将分区初始化为某种文件系统的过程，包括：
- 写入文件系统结构（如FAT表、inode表等）；
- 建立根目录；
- 初始化空闲空间管理。

六、磁盘的管理技术

1. 缓存（Cache）

磁盘访问速度慢，操作系统使用页缓存或缓冲区提升性能。

2. I/O 调度（I/O Scheduling）

结合磁盘调度和进程管理，减少I/O等待时间。

3. 预读（Read Ahead）

操作系统预判将要访问的数据并提前加载，提高命中率。

4. 延迟写（Write Back）

写操作先缓存，延迟真正写入磁盘，提升性能。

七、磁盘类型对比

类型	HDD（机械硬盘）	SSD（固态硬盘）
构造	旋转盘片	闪存芯片
速度	慢（机械移动）	快（无移动部件）
寿命	较长	有擦写次数限制
成本	便宜	昂贵
适合场景	大容量存储	高速访问场景

八、RAID技术（冗余磁盘阵列）

RAID（Redundant Array of Independent Disks）将多个磁盘组合成一个逻辑磁盘，提升性能和容错能力。

RAID级别	特点
`RAID 0`	条带化，提高性能，但无冗余
`RAID 1`	镜像，数据冗余，提高可靠性
`RAID 5`	带奇偶校验，性能与冗余兼顾
`RAID 10`	`RAID 1` + `RAID 0`，兼顾性能和可靠性